大孔隙環(huán)保降噪瀝青路面融冰雪涂層研究

■鄭雪莎

（保定市交通運輸局望都縣養(yǎng)路工區(qū)，保定 072450）

0 引言

2017年冬季，我國北方地區(qū)出現(xiàn)大面積降雪，多個省區(qū)高等級公路出現(xiàn)不同程度的冰凍災(zāi)害。相關(guān)研究表明：干燥瀝青路面、積雪路面、結(jié)冰路面的附著系數(shù)分別為0.6、0.2、0.15[1]。路面積雪結(jié)冰后附著系數(shù)顯著降低，將導(dǎo)致汽車出現(xiàn)打滑、剎車失靈等現(xiàn)象，存在嚴(yán)重安全隱患?，F(xiàn)有道路除冰技術(shù)主要包括：被動式除冰技術(shù)和主動式除冰技術(shù)兩種。被動式除冰技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，主要包括：人工除冰、機械除冰、微波除冰、融雪劑除冰等[2]。主動式除冰技術(shù)包括：熱力除冰和抑制凍結(jié)鋪裝除冰等[3-4]。人工除冰、微波除冰、機械除冰的效率較低，而且每次作業(yè)成本較高；融雪劑除冰容易腐蝕路面和危害植物；熱力除冰能耗大、費用高。因此，抑制凍結(jié)鋪裝類技術(shù)逐漸受到研究人員的青睞。抑制凍結(jié)鋪裝類技術(shù)主要通過在瀝青路面上鋪裝非氯鹽類涂層或混合型融雪涂層，實現(xiàn)主動除冰。美國DOT公司于上世紀(jì)80年代提出了非氯鹽類涂層，該涂層的主要成分為醋酸鈣鎂[2]；隨后Robert等通過在氯鹽中添加碳水化合物和磷酸鹽，制備了一種混合型融雪涂層[5]?；趪鴥?nèi)外研究現(xiàn)狀，本文提出了一種大孔隙環(huán)保降噪瀝青路面融冰雪涂層，希望為今后瀝青路面融雪除冰涂層設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 融冰雪涂層原理

融冰雪涂層屬于表面改性路面預(yù)防性養(yǎng)護措施，通過在瀝青路面上噴灑霧狀液體封層材料，使其形成一層保護膜，達到融雪除冰的目的。融冰雪涂層內(nèi)部的融冰物質(zhì)可以使水的冰點低于冬季最低溫度，使雪水從大孔隙瀝青中自行流走。水的冰點降低可用稀溶液原理來解釋。稀溶液中的蒸汽壓力、凝固點、沸點和滲透壓力只與溶質(zhì)在溶液中的含量有關(guān)，與溶質(zhì)性質(zhì)無關(guān)。與純?nèi)軇┫啾龋∪芤旱囊恍┪锢硇再|(zhì)會發(fā)生改變，如蒸汽壓力下降，凝固點下降、沸點上升等。

為了使融冰雪涂層具有較好的除冰能力，本文借鑒藥物控釋的思想，將涂層中的融雪材料加載到多孔材料中，然后用聚合物纖維素膜密封載體溝道，使得雪水可以緩慢釋放，達到持續(xù)融化冰雪的效果。當(dāng)車輛通過路面上的融冰雪涂層時，必然會對融冰雪涂層產(chǎn)生磨損。涂層與路面間的粘附性能決定其耐久性，耐久性是指涂層在復(fù)雜道路環(huán)境中的穩(wěn)定性和持久性。涂層耐久性差會導(dǎo)致涂層失效，嚴(yán)重影響其使用壽命。陽離子乳化瀝青是一種價廉易得、與路面有良好粘結(jié)性的水性膠粘劑。作為路面封層，陽離子乳化瀝青可以增加路面的顏色和吸熱效果。同時，陽離子乳化瀝青還可以密封路面上的小裂縫，防止路面受到水損害。但陽離子乳化瀝青作為融冰雪涂層粘結(jié)劑時，不能滿足耐久性的要求。因此對陽離子乳化瀝青進行改性以滿足粘附性和耐磨性的要求。

本項目研制的乳化瀝青改性膠粘劑是一種穩(wěn)定性好、水分散性好的水分散性膠粘劑。將融雪物質(zhì)加入到涂層，必須解決兩個問題：其一是“數(shù)量”問題，融雪物質(zhì)的量必須能夠確保雪水可以被載體吸收，其二是融雪材料應(yīng)緩慢而持久地釋放，以保證融雪層的持久性，涂層應(yīng)具有1～2年使用壽命。

2 融冰雪涂層制備

本文選用的粗集料為玄武巖，骨料采用的AC-13。粘結(jié)料采用改性瀝青，添加劑選取乳化瀝青改性膠粘劑。大孔隙環(huán)保降噪瀝青孔隙率較大，其強度與普通大粒徑瀝青混合料接近。本文采用的改性瀝青混合料的空隙率為20%，級配曲線見圖1。

圖1 改性瀝青混料級配曲線

根據(jù)瀝青混料級配情況，設(shè)計了3.7%、4.2%、4.6%、5.0%、5.4%五種不同油石比，分別對其進行Marshall試驗，試驗結(jié)果見表1。Marshall試驗測量了瀝青混合料的相對密度、穩(wěn)定度、空隙率、有效瀝青含量、飛散損失、析漏損失等參數(shù)。根據(jù)Marshall試驗結(jié)果，結(jié)合相關(guān)設(shè)計參數(shù)，確定最佳油石比為4.6%。

表1 馬歇爾試驗結(jié)果

本文試驗方法如下：1）根據(jù)常規(guī)瀝青混合料制備方法，確定原料的Marshall密度和配合比，采用旋轉(zhuǎn)壓實法制備150mm×150mm的試件。2）采用切割機將瀝青混合料試件切成厚度為10mm～15mm的薄片，切片洗凈后置于爐中烘干。3）在試樣表面涂覆涂層。涂層厚度以完全覆蓋表面為原則，考慮到噴涂實際操作范圍，經(jīng)過大量的試驗，最終確定涂刷量為0.6 kg/m2。4）涂層干燥后，將熱熔性瀝青將平整切片試件粘接在瀝青氈上。5）將切片標(biāo)本置于定量水中，以空白試樣作為參照物。將樣品和水置于-10℃低溫培養(yǎng)箱中，模擬冬季氣候。其中培養(yǎng)皿中水量為300ml，相當(dāng)于一個區(qū)域中約18mm的降水量。6）3h后取出標(biāo)本，在距離地面50cm處自由落體一個0.5kg重的輪胎模型，模擬汽車輪胎對路面的碾壓，觀察冰層開裂和結(jié)冰對涂層的影響。7）將冰塊置于涂層切片上并置于-10℃低溫培養(yǎng)箱中，每隔1h溫度升高2℃，升溫前后分別測量試件質(zhì)量，設(shè)置空白組作為對照。

3 瀝青路面融冰雪性能分析

輪胎碾壓試驗發(fā)現(xiàn)，涂層試樣表面冰層在經(jīng)輪胎模型敲擊后能完全吸收沖擊力并斷裂，冰層基本上與試樣表面分離。而對照組表面冰層是透明的，冰層致密且與試件緊密結(jié)合，在經(jīng)輪胎模型敲擊后不能去除。試驗結(jié)果表明：在-10℃條件下，涂層能有效地阻止冰層與試件之間的粘結(jié)，使冰層與試件分離，使冰層完全吸收沖擊力。結(jié)果表明，融冰雪涂層具有良好的除冰能力。通過測量冰塊減少量來測量融冰雪涂層的融冰能力，試驗結(jié)果見圖2。當(dāng)溫度低于0℃時，對照組試樣表面冰質(zhì)量幾乎相等，而加裝涂層的試樣表面冰質(zhì)量卻在逐漸降低，表明涂層可以融化部分冰塊，從而降低了冰的質(zhì)量。當(dāng)溫度在0℃以上，對照組表面冰質(zhì)量和涂層試樣表面冰質(zhì)量均降低，此時環(huán)境溫度是冰融化的主要影響因素。

圖2 融冰雪性能結(jié)果

考慮到融冰涂層耐久性，需要開展循環(huán)凍融試驗，對涂層長期除冰能力進行驗證。以輪胎模型自由落體中撞擊冰層，如果冰層疏松且易碎，則涂層具有除冰效果，清除試樣表面上的冰層，將試樣置于定量水中，并將培養(yǎng)皿放置于-10℃的冷藏箱中，如此重復(fù)。試驗結(jié)果表明：在連續(xù)7次循環(huán)凍融試驗中，冰層表面與涂層試樣表面都能基本分離，說明涂層具有良好的除冰效果，至少能滿足1年內(nèi)的除冰要求，這主要是由于涂層具有控釋功能。

通過室內(nèi)抗滑實驗對大孔隙環(huán)保降噪瀝青路面融冰雪涂層的抗滑性能進行研究。根據(jù)公路設(shè)計規(guī)程中的相關(guān)方法，在車轍板上開展抗滑實驗，試驗結(jié)果見表2。

表2 抗滑實驗測量結(jié)果

由表2可以看出，融冰雪涂層使車轍板表面摩擦系數(shù)顯著下降，涂刷量越大，車轍板表面的摩擦系數(shù)越小。試驗結(jié)果都能滿足《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于路面摩擦系數(shù)的要求（≥42）。

4 結(jié)論

鑒于現(xiàn)有融雪除冰方法存在各種問題，基于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，本文提出了一種大孔隙環(huán)保降噪瀝青路面融冰雪涂層。研究表明：1）涂層試樣表面冰層在經(jīng)輪胎模型敲擊后能完全吸收沖擊力并斷裂，冰層基本上與試樣表面分離，涂層具有良好的除冰效果，至少能滿足1年內(nèi)的除冰要求；2）當(dāng)溫度低于0℃時，涂層可以融化部分冰層，從而降低了冰的質(zhì)量；3）融冰雪涂層使車轍板表面摩擦系數(shù)顯著下降，涂刷量越大，車轍板表面的摩擦系數(shù)越小。希望為今后瀝青路面融雪除冰涂層設(shè)計提供技術(shù)參考。

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